Принцип работы лазера с ядерной накачкой
Лазер с ядерной накачкой - это лазер, в котором возбуждение и создание инверсии в специальной лазерно-активной среде осуществляется продуктами ядерных реакций. Наиболее перспективным видится использование в качестве источника энергии осколков деления тяжелых ядер.
Принцип работы лазера с накачкой осколками деления показан на данном рисунке:
Схема Лазерно-активного элемента: 1 - поток нейтронов; 2 - осколки делений; 3 - слой U235; 4 - лазерно-активная среда; 5 - оптические окна; 6 - "глухое" зеркало; 7 - выходное зеркало; 8 - лазерный пучок.
Нейтроны из запального реактора, проходя через лазерно-активный элемент (ЛАЭЛ), вызывают деления урана-235, нанесенного на внутреннюю поверхность ЛАЭЛа. Осколки деления, попадая в лазерно-активную среду, создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму и инверсию лазерных уровней. Запасенную в среде энергию можно вывести из лазерно-активного элемента с помощью специальной оптической системы, состоящей из "глухого" и выходного зеркал (т.н. "лазерный генератор с ядерной накачкой").
Лазерная установка с ядерной накачкой ГНЦ РФ - ФЭИ
Акционерное общество «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И.Лейпунского» один из ведущих научно-исследовательских центров Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». Здесь были выдвинуты и реализованы идеи создания реакторов на быстрых нейтронах и реакторов с прямым преобразованием ядерной энергии в электрическую.
Энергетический макет импульсной реакторно-лазерной системы - оптического квантового усилителя с ядерной накачкой (ОКУЯН) - разработан специалистами ГНЦ РФ ФЭИ для экспериментальной демонстрации уникальных мощностных и энергетических качеств Лазеров с ядерной накачкой.
ОКУЯН состоит из двух модулей: запального реакторного и лазерного блока (см. Рис.). В качестве запального реактора используется двухзонный импульсный реактор БАРС-6. Лазерный блок (ЛБ) представляет собой цилиндрическую конструкцию с продольной полостью для размещения запального импульсного реактора. Диаметр ЛБ ~ 1700 мм, а длина ~ 2500 мм. В состав лазерного блока входят лазерно-активные элементы (ЛАЭЛы), их имитаторы и элементы замедлителя нейтронов. ЛБ окружен двумя рядами внешнего отражателя нейтронов. В нейтронно-физическом смысле лазерный блок является глубоко подкритической системой со значением эффективного коэффициента размножения нейтронов значительно меньше 1.
Лазерно-активный элемент представляет собой тонкостенную стальную трубу с внешним диаметром 50 мм и длиной 2500 мм, на внутреннюю поверхность которой нанесен тонкий слой металлического урана-235 эффективной толщиной ~ 5 мкм. ЛАЭЛ загерметизирован с торцов оптическими окнами и заполнен лазерно-активной средой, в качестве которой в настоящее время используется Ar-Xe (200:1) смесь.
Имитатор ЛАЭЛ является полным аналогом в нейтронно-физическом смысле лазерно-активного элемента и представляет собой двухстенную алюминиевую трубу между стенками которой размещен диоксид урана. Количество урана-235 эквивалентно количеству делящегося вещества в ЛАЭЛе.
Внешний отражатель нейтронов набирается из тонкостенных стальных труб заполненых парафином. Если небходимо, в лазерный блок устанавливается внутренний отражатель нейтронов эффективной толщиной ~ 7 см.
ОКУЯН функционирует следующим образом. Нейтроны, рожденные в импульсном запальном реакторе, проходя через лазерный блок, замедляются в нем и вызывают деления урана-235 в лазерно-активных элементах. Осколки деления создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму в объеме лазерно-активной среды. Запасенную в лазерно-активной среде энергию можно вывести из ЛАЭЛов используя специальную оптическую систему. На данной установке предполагается использовать схему "задающий генератор - двухпроходовый усилитель" (см. Рис.). В качестве задающего генератора будет использован лазер с накачкой электронным пучком.
Т.о. расчеты показали, что, если все имитаторы ЛАЭЛов (~ 650 ед.) будут заменены на реальные лазерно-активные элементы, суммарная энергия выходного лазерного пучка из системы будет ~ 50 кДж длительностью ~ 10 мс.
В настоящее время физический и энергетический пуск установки полностью завершен и проводятся лазерные эксперименты.
Основные характеристики ОКУЯН
Число делений в реакторе БАРС-6 - 5.1017
Длительность импульса в ЛБ - 1-10 мс
Лазерно-активная среда - Ar-Xe
Лазерный переход - Xe1
Длина волны лазерного перехода - 1.73 мкм
Выходная энергия лазерного излучения (650 ЛАЭЛов) - до 50 кДж
ГНЦ РФ Физико-энергетический институт. Отделение Перспективных ядерно-лазерных и термоядерных исследований. Лаборатория Технической физики
Реакторы-лазеры из ВНИИЭФ
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) - федеральное государственное унитарное предприятие Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом". РФЯЦ-ВНИИЭФ - крупнейший в стране научно-исследовательский институт, решающий сложные задачи оборонного, научного и народнохозяйственного значения. Основанный в 1946 году институт внес определяющий вклад в создание ядерного и термоядерного оружия в СССР, ликвидацию атомной монополии США. Здесь были разработаны первые отечественные атомная и водородная бомбы. Деятельность института обеспечила достижение мирового ядерного равновесия в годы "холодной войны", удержала человечество от глобальных военных конфликтов. ВНИИЭФ положил начало реализации масштабной программы Советского Союза по проведению ядерных взрывов в мирных целях. В 1962 году была решена уникальная задача зажигания и горения термоядерного горючего при отсутствии делящихся материалов. Это был важный шаг на пути к термоядерной энергетике будущего.
Главная задача ядерного центра сегодня - обеспечение и поддержание надежности и безопасности ядерного оружия России.
На базе водно-импульсного реактора ВИР-2М с энерговыделением в активной зоне до 60 МДж и длительностью нейтронного импульса 3 мс и более создан экспериментальный комплекс для исследования характеристик лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) и отработки элементов конструкции ядерно-лазерных устройств. В состав комплекса входят лазерные установки ЛУНА-2М, ЛУНА-2П и ЛЯН-2Т. На реакторе ВИР-2 проведен большой объем фундаментальных исследований по поиску и оптимизации параметров газовых ЛЯН и изучению их энергетических и спектральных характеристик, измерены неоднородности плотности газовых сред, расходимость лазерного излучения, характеристики пленочного уранового топлива. В РФЯЦ-ВНИИЭФ получена и исследована генерация более чем на сорока переходах атомов Xe, Kr, Ar, Ne, C, N, O, Cl, ионов Cd+, Zn+ в видимой и ИК-областях спектра при возбуждении газовых смесей осколками деления урана, а также продуктами реакций 3He(n,p)3H и 10B(n,α)7Li в нейтронных полях импульсных ядерных реакторов. Одним из главных научных достижений, реализованных на этой установке, наряду с высокими значениями КПД (до 2,5 %) является демонстрация возможности работы ЛЯН даже при нейтронных потоках на периферии активных зон практически всех энергетических и исследовательских ядерных реакторов непрерывного действия.
На комплексе ВИР-2М/ЛУНА-2М проведен большой объем экспериментов по исследованию спектральных характеристик различных газовых сред, возбуждаемых осколками деления урана, и поиску новых ЛЯН, получена информация о начальных коэффициентах усиления и параметрах насыщения активных сред лазеров на смесях Ar-Xe (λ = 1,73 мкм) и He-Ar-Xe (λ = 2,65 мкм). При разработке реакторов-лазеров непрерывного действия необходимы практическая демонстрация такого режима, конструкторско-технологическая отработка и изучение характеристик устройств с поперечной прокачкой газа. Для решения этих задач разработан и изготовлен лазерный 4-канальный модуль ЛМ-4.
Установка ЛМ-4 состоит из четырех лазерных каналов сечением 20х60 мм и активной длиной 1 м, включенных совместно с размещенными между каналами пластинчатыми радиаторами в единую газовую петлю, в которой осуществляется поперечная прокачка. Система возбуждается потоком нейтронов от реактора БИГР длительностью ~ 1,5 с. Длительность генерации определяется длительностью импульса облучения реактора БИГР. Впервые в мире на практике продемонстрирована непрерывная генерация в лазерах с ядерной накачкой и показана эффективность способа поперечной прокачки газа. Мощность лазерного излучения ~ 100 Вт. В настоящее время эти энергетические характеристики для лазеров с ядерной накачкой являются рекордными. В 2000-2001 гг лазерный модуль был существенно модернизирован, переделаны оптическая схема и системы регистрации, юстировки и управления.
Эксперименты показали, что при работе в квазиимпульсном режиме длительность импульса, мощность и энергия генерации в сложенном канале оказались существенно выше, чем в одинарном, а пороги генерации – существенно ниже. Данные результаты являются наглядным доказательством возможности применения последовательной схемы сложения лазерных каналов и снижения, таким образом, диаграммы направленности светового луча.
В ходе исследований, проведенных на модернизированном экспериментальном комплексе ЛМ-4М/БИГР, продемонстрирована работа многоэлементного ядерно- лазерного устройства в непрерывном режиме после длительной (7 лет) консервации установки без замены оптических и топливных элементов. Фактически модуль ЛМ-4 может рассматриваться как реактор-лазер (РЛ) в миниатюре, обладающий всеми его качествами кроме возможности самоподдерживающейся (цепной) ядерной реакции, обеспечивающей ядерную накачку без использования внешних нейтронных полей. Эта задача решается простым масштабированием рабочей зоны ЛМ и введением системы управления реактором. Выработана концепция РЛ как автономного ядерно-физического устройства, совмещающего функции лазерной системы и ядерного реактора и осуществляющего прямое преобразование энергии ядерных реакций в лазерное излучение.
Реактор-лазер является, в сущности, набором определенного количества лазерных ячеек, размещенных должным образом в матрице замедлителя нейтронов. На основе результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, конструкторско-технологических проработок, опыта отечественного реакторостроения, эксплуатации исследовательских ядерных реакторов и лазерных комплексов определены основные энергетические, ядерно-физические, технические и эксплуатационные параметры различных вариантов РЛ с мощностью лазерного излучения от 100 кВт до нескольких мегаватт, работающих во временных интервалах от нескольких секунд до непрерывного режима. Рассматривались РЛ с аккумулированием тепла в активной зоне (АЗ) реактора в пусках, продолжительность которых ограничена допустимым нагревом АЗ (теплоемкостные РЛ), и РЛ с выносом тепловой энергии за пределы АЗ, т.е. без ограничения по энергетике.
Реактор-лазер для промышленного применения с невысокой при мощности лазерного излучения ~1 МВт должен содержать ~конструкторско-технологическим и эксплуатационным соображениям такую установку удобно выполнить секционированной, состоящей из функционально законченных модулей.
Реактор-лазер непрерывного действия имеет сменные лазерные модули,составляющие в совокупности активную зону РЛ.
Лазерный комплекс кроме собственно РЛ включает в себя оптические системы формирования лазерного излучения и транспортировки его к объекту воздействия, систему управления и защиты реактора и систему управления лазерным излучением, периферийные системы прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя. Система формирования лазерного излучения в значительной степени определяется назначением комплекса. Преимущества РЛ обусловлены высокой удельной и абсолютной энергоемкостью, практически недостижимой в других типах лазеров, эффективным преобразованием в широком оптическом диапазоне, отсутствием промежуточных ступеней преобразования энергии, гибкостью управления.
Возможные применения реакторов-лазеров:
Снабжение энергией спутников, базы на темной стороне Луны,космических объектов.
Лазерные ракетные двигатели для старта с Земли и межпланетных полетов.
Очистка космоса от мусора и отработавших ЯЭУ.
Вывод полезных грузов на космические орбиты.
В качестве инструмента для резки и сварки крупногабаритных установок.
Утилизация экологически опасных установок.
Утилизация особо прочных и толстостенных конструкций,разделка которых традиционными способами затруднена или невозможна.
Оперативный ремонт дорогостоящих производственных установок с непрерывным циклом работы.
Ликвидация последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф, в особенности сопровождающихся повышенной экологической.
Работы по созданию мощных РЛ непрерывного действия с прямым преобразованием ядерной энергии в лазерное излучение являются новым направлением современной физики, возникшим на стыке последних достижений в ядерной энергетике и лазерной технике. Такие работы в стране и за рубежом проводятся впервые. Реализация такой программы станет существенным вкладом в создание энергетики будущего, позволит сохранить научно-технический потенциал России и мировой приоритет в новой перспективной области науки и техники.
Во ВНИИЭФ завершается создание ядерно-физической установки, являющейся физической моделью РЛ непрерывного действия с поперечной прокачкой лазерной среды.
P.S. от Pl
Для расширения кругозора и углублённого изучения темы рекомендую статью Реакторно-лазерная система и импульсный реактор на нептунии, а так же книгу Ю. П. Гангрский, Б. Н. Марков. ЯДРА В ЛУЧАХ ЛАЗЕРА. «Знание», М.: 1984
Источник - ФЭИ и ВНИИЭФ .
Свежие комментарии